DE4416367C1 - Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät - Google Patents
Ultraschall-Durchfluß-MeßgerätInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät, mit
dem die Durchflußrate eines strömenden gasförmigen oder flüssi
gen Mediums bestimmt werden kann.
Für industrielle Anwendungen ist die Messung der Durchflußrate
von Gasen und Flüssigkeiten in Rohrsystemen von großer Bedeu
tung. Die meisten der existierenden Meßsysteme verwenden den
Flüssigkeits- oder Gasfluß, um ein Rad anzutreiben, dessen Um
drehungszahl pro Zeiteinheit proportional zur Durchflußrate ist.
Solche Meßsysteme sind jedoch über lange Zeitperioden nicht
zuverlässig.
Andere bekannte Meßsysteme verwenden Ultraschall. Hier ist die
Phasenverschiebung, die eine Ultraschallwelle in einem strömen
den Medium erfährt, ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des
Mediums. Üblicherweise sind ein Ultraschallsender und ein Ul
traschallempfänger in einer Rohrleitung unter einem gegebenen
Winkel in bezug auf die Achse der Rohrleitung angeordnet. Ein
Beispiel hierfür ist in EP 0 040 837 A1 beschrieben. Solche
Systeme haben eine ziemlich komplexe Geometrie und den zusätzli
chen Nachteil, daß die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird, weil
die Phasenverschiebung von dem Cosinus des gegebenen, von 0°
verschiedenen Winkels abhängt.
Grundsätzlich läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit eines Medi
ums auch über eine Messung der Laufzeit von Ultraschall von
einem Ultraschallsender zu einem Ultraschallempfänger bestimmen,
wobei der Ultraschallsender impulsartig angeregt wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät
zu schaffen, das eine einfache Geometrie hat und eine hohe Meß
genauigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Ultraschall-Durchfluß-Meßge
rät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausge
staltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät weist zwei
ringförmige piezoelektrische Wandler auf, von denen der eine als
Ultraschallsender und der andere als Ultraschallempfänger ge
schaltet ist. Die beiden Wandler sind auf Abstand zueinander
angeordnet, wobei ihre Symmetrieachsen zusammenfallen. So ist
eine vollständige Axialsymmetrie verwirklicht. Der zuvor erwähn
te Winkel beträgt hierbei 0°, weshalb eine optimale Meßgenau
igkeit erreicht wird.
Jeder der beiden Wandler kann von einem separaten Wandlergehäuse
umgeben sein. Diese Maßnahme ermöglicht einerseits einen Schutz
gegen Einflüsse des strömenden Mediums. Andererseits erlaubt ein
Wandlergehäuse die Unterbringung von Material zur akustischen
Entkopplung sowie das Anbringen eines Dämpfungsringes, der den
betreffenden ringförmigen piezoelektrischen Wandler umgibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Wandler in
die Wandung einer zylindrischen Rohrleitung integriert (jeweils
direkt oder unter Verwendung eines separaten Wandlergehäuses),
deren Längsachse mit der gemeinsamen Achse der Wandler zusammen
fällt. Bei dieser Konstruktion ist der Querschnitt der Rohrlei
tung an den Positionen der Wandler nicht verringert. Das Ultra
schall-Durchfluß-Meßgerät setzt daher dem Medium keinen zusätz
lichen Strömungswiderstand entgegen.
Vorzugsweise sind die beiden Wandler in einem kurzen Rohrlei
tungsstück angeordnet, das mit endseitigen Anschlußelementen zur
Verbindung mit dem Rohrleitungssystem versehen ist. Solche An
schlußelemente können z. B. Flansche oder Rohrmuffen sein, etwa
der Art, wie sie bei dem vorhandenen Leitungssystem vorgesehen
sind. Damit steht eine kompakte Komponente zur Verfügung, die
ohne großen Aufwand in ein bestehendes Leitungssystem eingebaut
werden kann.
Das erfindungsgemäße Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät wird vor
zugsweise in Selbsterregung betrieben, wobei die Ausgangsspan
nung des als Ultraschallempfängers geschalteten Wandlers nach
Verstärkung auf den als Ultraschallsender geschalteten Wandler
rückgekoppelt wird. Einzelheiten ergeben sich aus der nachfol
genden Beschreibung.
Alternativ ist der als Ultraschallempfänger geschaltete Wandler
zur Messung der Laufzeit des Ultraschalls nach impulsartiger
Anregung des als Ultraschallsender geschalteten Wandlers ge
schaltet. Die Laufzeitmessung bietet Vorteile, wenn mit größeren
Störungen des Systems durch Schalleinkopplung in Rohrleitung und
Gehäuse gerechnet werden muß. In diesem Fall kann durch ein
elektronisches Gate zwischen der kurzen Laufzeit durch Rohrlei
tung oder Gehäuse und der längeren Laufzeit durch das Medium
separiert werden.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezug auf ein Ausführungs
beispiel näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Rohrleitungsstück, in das
zwei ringförmige piezoelektrische Wandler integriert
sind,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen piezoelektrischen Wand
ler, der von einem separaten Wandlergehäuse umgeben
ist, und
Fig. 3 eine Skizze zur Veranschaulichung der in den Formeln
verwendeten Symbole.
Wie in Fig. 1 dargestellt, sind ein ringförmiger piezoelektri
scher Wandler 1 und ein ringförmiger piezoelektrischer Wandler
2 auf Abstand angeordnet, wobei ihre Symmetrieachsen zusammen
fallen. Die Wandler 1 und 2 können jeweils ringförmige piezo
elektrische Elemente aufweisen oder auch aus piezoelektrischen
Abschnitten zusammengesetzt sein. Beide Wandler 1, 2 befinden
sich in einem Rohrleitungsstück 3, das von dem flüssigen oder
gasförmigen Medium, dessen Durchflußrate gemessen werden soll,
in Richtung der Längsachse L-L durchströmt wird. Der Strömungs
querschnitt ist kreisförmig. Die gemeinsame Achse der Rotations
symmetrie der Wandler 1, 2 fällt mit der Längsachse L-L zusam
men.
Beide Wandler 1, 2 sind in gleicher Weise in die Wandung 4 des
Rohrleitungsstücks 3 eingebettet. Zur akustischen Entkopplung
zwischen den Wandlern 1, 2 und der Wandung 4 dient ein weiches
Material 5, z. B. ein Schaumstoffmaterial. Die elektrischen
Anschlüsse 6 der Wandler 1, 2 führen durch die Wandung 4 in
abgedichteter Weise nach außen. Sie können als einfache Drähte
oder auch als dünne Kupferbleche ausgebildet sein.
In einer alternativen Ausgestaltung sind die Wandler 1, 2 nicht
unmittelbar in die Wandung 4 des Rohrleitungsstücks 3 einge
setzt, sondern jeder der Wandler 1, 2 ist von einem separaten
Wandlergehäuse umgeben. Fig. 2 zeigt, wie der Wandler 1 in
einem solchen ringförmig ausgestalteten Wandlergehäuse 10 an
geordnet ist. Zur akustischen Entkopplung dient ein vorzugsweise
weiches Entkopplungsmaterial 11, und unmittelbar an seiner äuße
ren Peripherie ist der Wandler 1 von einem Dämpfungsring 12
umgeben. Die elektrischen Anschlüsse 6 sind in abgedichteter
Weise nach außen geführt. Das Wandlergehäuse 10 kann z. B. aus
rostfreiem Metall, Keramik oder Kunststoff bestehen. Auch eine
Metall-Keramik-Konstruktion ist denkbar. Vorzugsweise sind die
Anordnungen für den Wandler 1 und den Wandler 2 gleich.
Bei der Ausgestaltung mit separaten Wandlergehäusen sind die
Wandler 1 und 2 mit den Wandlergehäusen vorzugsweise bündig in
das Rohrleitungsstück 3 eingesetzt, so daß nach innen keine
Teile vorspringen. Zusätzlich zu dem Entkopplungsmaterial 11 im
Inneren der Wandlergehäuse können weitere Entkopplungsmaßnahmen
zwischen der Außenseite der Wandlergehäuse und dem Rohrleitungs
stück 3 vorgesehen sein, z. B. weiches Material 5, das ähnlich
wie in Fig. 1 angeordnet ist, um zu verhindern, daß das Rohr
leitungsstück 3 an der Ausbreitung des Ultraschallfeldes betei
ligt ist. Eine geeignete Entkopplung kann zum Beispiel auch
dadurch erreicht werden, daß das Rohrleitungsstück 3 selbst
zwischen den Wandlern 1 und 2 mit bekannten Methoden bedämpft
wird.
An seinen Enden ist das Rohrleitungsstück 3 mit einem Flansch 7
und einem Flansch 8 versehen. Der aus dem Rohrleitungsstück 3
und den beiden Wandlern 1, 2 bestehende Durchflußsensor kann
daher ohne großen Aufwand in ein bestehendes Rohrleitungssystem,
in dem ebenfalls Flanschverbindungen üblich sind, eingefügt wer
den.
Es sind verschiedene Herstellungsmöglichkeiten denkbar. So kön
nen die Wandler 1, 2 in das Rohrleitungsstück 3, das aus Kunst
stoff bestehen kann, eingegossen werden. Alternativ könnte das
System aus vorgefertigten ringförmigen Abschnitten zusammenge
klebt werden. Solche vorgefertigten ringförmigen Abschnitte
lassen sich aus den unterschiedlichsten metallischen oder nicht
metallischen Werkstoffen herstellen. So ist auch Keramik mit
Metall-Keramik-Verbindungen denkbar. Wenn die Wandler 1, 2, die
vorzugsweise aus einer Piezokeramik bestehen, nicht mit dem
Medium in Berührung kommen sollen, können sie mit einer Schutz
schicht versehen sein. Daneben bieten die bereits erwähnten
separaten Wandlergehäuse Schutz gegen Berührung mit dem Medium.
Da die Wandler 1, 2 nicht ins Innere des Rohrleitungsstücks 3
vorspringen, bilden sie für das strömende Medium kein Hindernis,
so daß dessen Strömungsgeschwindigkeit durch die Wandler 1, 2
praktisch nicht verändert wird.
Das Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät hat eine hohe Empfindlich
keit, wenn die beiden Wandler 1, 2 in Selbsterregung betrieben
werden (insbesondere, wenn dies in der Nähe einer Resonanzfre
quenz der Fall ist, siehe unten), was im folgenden näher erläu
tert wird.
Fig. 3 veranschaulicht in perspektivischer Ansicht die ringför
mige Geometrie des Systems mit dem beiden Wandlern 1 und 2. Der
Wandler 1 ist als Ultraschallsender und der Wandler 2 als Ultra
schallempfänger geschaltet. Die Entfernung r zwischen einem
Quellpunkt Q an der Innenseite des Wandlers 1, der ebenso wie
der Wandler 2 den Innenradius a hat, und einem Feldpunkt P an
der Innenseite des Wandlers 2 ergibt sich aus Fig. 3 zu
d ist der Abstand der beiden Wandler 1 und 2. Unter Anwendung
trigonometrischer Beziehungen läßt sich Gleichung (1) umwandeln
in
Nun wird angenommen, daß der als Ultraschallsender geschaltete
Wandler 1 in einer rein radialen Mode mit der gegebenen komple
xen Geschwindigkeitsamplitude v¢ oszilliert, und zwar oberhalb
einer vorgegebenen, vom Durchmesser des Rohrleitungsstücks 3
abhängenden Abschneidefrequenz. (Unterhalb der Abschneidefre
quenz liegen keine transversalen Anteile, sondern nur longitudi
nale Wellen vor, die sich im Medium als ebene Wellen entlang dem
Rohrleitungsstück 3 ausbreiten.) Dann kann das Schallfeld mit
der komplexen Druckamplitude p im Medium mit der Dichte P ausge
drückt werden als:
siehe Cremer, L., Hubert, M., "Vorlesungen über Technische Aku
stik", 4. Auflage, Springer, Berlin 1990, Gl. 2-217, Seite 178.
Hier ist die Wellenzahl k der Quotient aus der Kreisfrequenz ω
des Senders und der Schallgeschwindigkeit c des betrachteten
Mediums:
k = ω/c (4).
Die Integration erstreckt sich über die Oberfläche S des gesam
ten betrachteten Schallfeldgebietes. Nimmt man überall auf die
ser Oberfläche außer an den Innenflächen des als Ultraschall
sender geschalteten piezoelektrischen Rings feste Wände mit v₀ = 0
an, erstreckt sich die Integration lediglich über die innere
Ringfläche des Wandlers 1.
In erster Näherung kann angenommen werden, daß der Radius a
klein ist im Vergleich zu dem Abstand d der Wandler 1 und 2
(siehe Fig. 3):
a « d (5).
Der Integrand aus Gleichung (3) kann dann in eine Taylor-Reihe
entwickelt werden, was unter Berücksichtigung von Termen erster
Ordnung mit Gleichung (2) ergibt:
Für das Druckfeld folgt aus Gleichung (3) dann:
Nach Ausführung der Integration erhält man:
Dieses Ergebnis läßt sich leicht interpretieren: Eine sich von
dem Ultraschallsender 1 zu dem im Abstand d befindlichen Ultra
schallempfänger 2 in axialer Richtung ausbreitende Schallwelle
erfährt eine Phasenverschiebung, die aus dem erwarteten Betrag
kd plus dem Korrekturterm
besteht, der unter der Annahme gemäß Gleichung (5) näherungs
weise als
ausgedrückt werden kann. Dieser Korrekturterm faßt die Weglän
gendifferenzen zwischen allen Quellpunkten auf dem Ring des
Ultraschallsenders 1 und einem Feldpunkt auf dem Ring des Ul
traschallempfängers 2 zusammen. Die Korrektur ist umso kleiner,
je größer der Abstand d der Wandler 1 und 2 im Vergleich zum
Innenradius a der ringförmigen Wandler 1 und 2 ist.
Das am Ultraschallempfänger 2 beobachtete Druckfeld wird, da der
Ultraschallempfänger ein piezoelektrischer Wandler ist, in eine
entsprechende Ausgangsspannung umgewandelt. Dieses Signal wird
nun verstärkt und dem als Ultraschallsender geschalteten piezo
elektrischen Wandler 2 als Rückkopplungssignal zugeführt. Das
kann zu einer Selbsterregung des Systems führen, und zwar dann,
wenn die Phasendifferenz zwischen der Eingangsspannung für den
Ultraschallsender und der Ausgangsspannung des Ultraschallemp
fängers Null oder ein ganzzahliges Vielfaches von 2π ist. Diese
gesamte Phasendifferenz hat zwei Beiträge, einen von der Schall
ausbreitung und den anderen von der Summe der internen Phasen
verschiebungen des Ultraschallsenders bzw. -empfängers. Der
letztgenannte Beitrag verschwindet, wenn die beiden Wandler 1
und 2 die gleichen physikalischen Eigenschaften haben. Dies kann
z. B. erzielt werden, indem man sie als unter gleichen Bedingung
gen hergestellte Paare auswählt.
Eine weitere denkbare Möglichkeit, ein aus Ultraschallsender und
Ultraschallempfänger bestehendes Paar mit gleichen Eigenschaften
zu erhalten, ist das Zerschneiden eines piezoelektrischen Ringes
in zwei gleiche Halbringe. Dann kann der eine Halbring als Ul
traschallsender und der andere als Ultraschallempfänger betrie
ben werden.
Um die Selbsterregung des Systems zu erreichen, muß also die von
der Schallausbreitung herrührende Phasendifferenz ein ganzzahli
ges Vielfaches von 2π sein. Unter Berücksichtigung der Gleichun
gen (8), (9) und (10) erhält man daraus die folgende Bedingung
für den axialen Abstand d zwischen dem Ultraschallsender und dem
Ultraschallempfänger, bei welchem bei gegebener Winkelfrequenz
ω = c k im ruhenden Medium Selbsterregung auftritt:
Mit Hilfe des Additionstheorems für die Tangensfunktion folgt
daraus
oder
Gleichung (13) kann iterativ nach d aufgelöst werden. Dazu wird
zunächst der Korrekturterm δ definiert als
δ + nλ = d (14)
wobei λ = 2π/k die Wellenlänge des Ultraschalls und n eine na
türliche Zahl ist. Aus den Gleichungen (13) und (14) folgt die
Iterationsbedingung
Im folgenden wird ein numerisches Beispiel für den Iterations
prozeß für zwei verschiedene Werte von n angegeben.
Die Ultraschallfrequenz f = ω/(2π) beträgt jeweils 150 kHz, die
Schallgeschwindigkeit c jeweils 1400 m/s, woraus sich eine
Schallwellenlänge λ von 9,33·10-3 m ergibt; für a ist ein Wert
von 0,01 m angenommen. Der Startwert für δ ist in beiden Fällen
-2·10³ m. Wie die folgende Tabelle zeigt, genügen etwa vier
Iterationsschritte:
n=1 | |
n=5 | |
-2,172·10-3 m|-1,460·10-3 m | |
-2,333·10-3 m | -1,450·10-3 m |
-2,179·10-3 m | -1,455·10-3 m |
-2,176·10-3 m | -1,455·10-3 m |
Die oben angegebene Herleitung gilt für jede Ultraschallfre
quenz. Das System arbeitet jedoch besonders effizient, wenn die
beiden Wandler 1 und 2 in der Nähe einer Resonanzfrequenz be
trieben werden. An der Resonanzstelle wird nämlich die elektri
sche Leistung optimal in Schalleistung gewandelt und umgekehrt.
Dies soll nochmals verdeutlicht werden: Zu unterscheiden ist die
Selbsterregung des aus Sender, Schallübertragungsstrecke, Emp
fänger und elektrischer Rückführung über Verstärker bestehenden
geschlossenen Systems von der Resonanzfrequenz der Wandler
selbst. Prinzipiell ist Selbsterregung bei jeder Ultraschall
frequenz möglich, wenn die Erfüllung der Phasenbedingung im
Schallfeld und eine hinreichende Verstärkung gewährleistet sind.
Besonders vorteilhaft ist jedoch die Wahl einer Selbsterregungs
frequenz, die mit der Resonanzfrequenz der Wandler selbst zu
sammenfällt. In diesem Fall ist nämlich nur eine geringe Verstär
kung in der elektrischen Signalrückführung erforderlich.
In der Praxis kann man die Parameter für ein in Selbsterregung
betriebenes Ultraschallsender-Ultraschallempfänger-Paar nach
folgendem Schema bestimmen:
- - Auswählen einer geeigneten Eigenmode (radiale Schwingung) des piezoelektrischen Systems, wobei beide Wandler 1 und 2 die gleichen Eigenschaften haben.
- - Daraus ergibt sich die gewünschte Betriebsfrequenz bei Selbsterregung des Systems als die Eigenfrequenz; die Summe der internen Phasenverschiebungen verschwindet.
- - Auswählen der natürlichen Zahl n, d. h. der Anzahl der zwi schen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger liegenden Wellenlängen.
- - Bestimmen des korrekten Abstands d unter Verwendung der Gleichung (14).
Bisher wurde angenommen, daß das Medium, in dem sich die Schall
wellen zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfän
ger ausbreiten, ruht. Nun wird eine konstante Strömungsgeschwin
digkeit v betrachtet, die ein Maß für die Durchflußrate ist.
Wenn sich das Medium bewegt, wächst oder sinkt die Ausbreitungs
geschwindigkeit des Ultraschalls, je nachdem, ob die Schallaus
breitung in Richtung oder entgegen der Richtung der Strömungs
geschwindigkeit erfolgt. Falls mit einer festen Schallfrequenz
gearbeitet wird, ändert sich dadurch die Wellenlänge, was in
einer Phasenverschiebung resultiert. Wäre das System bei ruhen
dem Medium auf Selbsterregung abgestimmt, wobei f₀ die Ultra
schallfrequenz entsprechend einer Eigenmode des Systems ist, wie
zuvor erläutert, so würde es bei nicht verschwindender Durch
flußgeschwindigkeit verstimmt, da die Phasenbedingung nach Glei
chung (14) nicht mehr erfüllt ist. Wenn jedoch eine andere
Schallfrequenz ausgewählt wird, so daß die Wellenlänge λ unter
Beachtung der Gleichung (14) bei dem Wert λ₀ fest bleibt, kann
das System auch bei nicht verschwindender Strömungsge
schwindigkeit im Zustand der Selbsterregung gehalten werden. Die
Bedingung dafür läßt sich ausdrücken als
wobei Δf die Frequenzverschiebung ist. Aus Gleichung (16) folgt
Wenn die Resonanzkurve der Wandler 1 und 2 schmal ist, also ein
ausgeprägtes Maximum hat, führt eine Frequenzverschiebung Δf aus
dem Maximum hinaus, so daß die Schwingungsamplitude der Wandler
1, 2 bei einer Durchflußmessung rasch abfallen würde. Dies ist
für einen stabilen Betrieb unter Selbsterregungsbedingungen
problematisch, auch wenn ein Verstärker angewendet wird. Ein
geeignetes Gegenmittel ist eine vergrößerte Bandbreite des Sy
stems, d. h. eine Verbreiterung der Resonanzkurve, was sich z. B.
erreichen läßt, wenn Wandlergehäuse und zugeordnete mechanische
Komponenten (siehe z. B. Fig. 2) Resonanzen haben, die nahe an
der ausgewählten Resonanz der piezoelektrischen Komponenten
liegen. In diesem Falle verhält sich die Resonanzkurve so wie
diejenige von gekoppelten Resonatoren. Um einen flachen Verlauf
der Resonanzkurve zu erzielen, ist eine ausreichende Dämpfung
erforderlich.
Die Auswahl der geeigneten Frequenzverschiebung Δf ergibt sich
selbsttätig, da das geschlossene, rückgeführte Sender-Schall
strecke-Empfänger-System den Zustand der Selbsterregung von sich
aus anstrebt, um die Phasenbeziehung einzuhalten. Dies ist dann
der Fall, wenn das System bei der der Strömungsgeschwindigkeit
v entsprechenden Frequenzverschiebung arbeitet.
Bisher wurde angenommen, daß die Schallgeschwindigkeit konstant
ist bzw. von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums abhängt.
In der Praxis ist dies jedoch nur für eine konstante Temperatur
korrekt. Abweichungen von dieser Temperatur führen zu Änderungen
in der Schallgeschwindigkeit, was in zusätzlichen Phasenver
schiebungen resultiert. Um dies auszugleichen, muß die Frequenz
bei Beibehaltung der Selbsterregung zusätzlich verschoben wer
den. In der Praxis übersteigt die Frequenzverschiebung infolge
des Temperatureffekts häufig die auf die Strömungsgeschwindig
keit zurückzuführende. Der Temperatureffekt kann jedoch kompen
siert werden, indem bei Schallausbreitung in beiden Richtungen,
d. h. parallel und antiparallel zur Strömungsrichtung, gemessen
wird und dann die Differenz der Frequenzverschiebungen berück
sichtigt wird. Die Bandbreite muß die Summe der Frequenzver
schiebungen entsprechend der Temperatur und der Strömungsge
schwindigkeit abdecken.
Um bei Schallausbreitung in beiden Richtungen zu messen, muß
jeder der Wandler 1, 2 wahlweise als Ultraschallsender oder als
Ultraschallempfänger schaltbar sein. Während also zunächst - wie
bisher angenommen - der Wandler 1 als Ultraschallsender und
Wandler 2 als Ultraschallempfänger arbeitet, werden anschließend
für die Messung in Gegenrichtung ihre Rollen vertauscht. Dies
läßt sich durch geeignete, dem Fachmann geläufige Schaltungs
anordnungen erreichen.
Die Strömungsgeschwindigkeit v des Mediums ist ein Maß für die
Durchflußrate. Um auf die pro Zeiteinheit durch den Bereich der
Wandler 1, 2 hindurchtretende Masse des Mediums zu schließen,
muß die Strömungsgeschwindigkeit mit der Dichte des Mediums und
der Querschnittsfläche multipliziert werden. Wenn die Strömungs
geschwindigkeit über die Querschnittsfläche nicht konstant ist,
kann die Abhängigkeit der Durchflußrate von der gemessenen Fre
quenzverschiebung durch Eichmessungen bestimmt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Strömungsgeschwin
digkeit des bewegten Mediums besteht in der Messung der Lauf
zeit, die ein Ultraschallimpuls benötigt, um von dem als Ultra
schallsender geschalteten ringförmigen piezoelektrischen Wandler
zu dem als Ultraschallempfänger geschalteten ringförmigen piezo
elektrischen Wandler zu gelangen. Bei bekanntem Abstand der
Wandler ist die Laufzeit ein Maß für die von der Strömungsge
schwindigkeit und der Strömungsrichtung abhängende Ausbreitungs
geschwindigkeit des Ultraschalls.
Im Gegensatz zu dem Verfahren der Selbsterregung, das auf einen
quasistationären, zeitlich periodischen Betrieb angewiesen ist,
arbeitet die Laufzeitmessung im Impulsbetrieb. Dies hat den
Vorteil, auf elektronischem Wege mit Hilfe eines Gates zwischen
der Körperschallausbreitung auf dem Rohrleitungsstück und der zu
messenden Schallausbreitung durch das strömende Medium separie
ren zu können. Weitere Vorteile liegen in der klaren Trennmög
lichkeit gegen Störungen, z. B. durch Schalleinstrahlung von
außen oder durch Reflexionen von Ultraschallwellen. Eine Lauf
zeitmessung erweist sich auch dann als vorteilhaft, wenn die
Wandler gegenüber dem Rohrleitungsstück oder Gehäuse nicht hin
reichend akustisch entkoppelt sind.
Wenn - ähnlich wie bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren der
Selbsterregung erörtert - durch Vertauschen von Ultraschallsen
der und -empfänger Messungen in Strömungsrichtung des Mediums
und entgegen der Strömungsrichtung durchgeführt werden, um die
Laufzeitdifferenz zu bestimmen, lassen sich Temperatureffekte
eliminieren.
Claims (12)
1. Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät, mit zwei ringförmigen piezo
elektrischen Wandlern (1, 2), die ringförmige Piezoelemente
aufweisen oder aus piezoelektrischen Abschnitten zusammenge
setzt sind, wobei beide Wandler (1, 2) in Axialsymmetrie auf
Abstand zueinander angeordnet sind und der eine als Ultra
schallsender und der andere als Ultraschallempfänger ge
schaltet ist, und wobei das Medium, dessen Durchflußrate ge
messen werden soll, beide Wandler (1, 2) im wesentlichen
parallel zu der Achse (L-L), auf der die beiden Wandler (1,
2) angeordnet sind, durchströmt.
2. Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder der beiden Wandler (1, 2) von
einem separaten Wandlergehäuse (10) umgeben ist.
3. Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß die beiden Wandler (1, 2) in die
Wandung (4) einer zylindrischen Rohrleitung (3) integriert
sind, deren Längsachse (L-L) mit der gemeinsamen Achse der
Wandler (1, 2) zusammenfällt, so daß der Querschnitt der
Rohrleitung (3) bei den Positionen der Wandler (1, 2) nicht
verringert ist.
4. Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die beiden Wandler (1, 2) von der Wandung
(4) der Rohrleitung (3) durch Einbettung in weiches Material
(5; 11) akustisch entkoppelt sind.
5. Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät nach Anspruch 3 oder 4, da
durch gekennzeichnet, daß die beiden Wandler (1, 2) in einem
kurzen Rohrleitungsstück (3) angeordnet sind, das mit end
seitigen Anschlußelementen (7, 8) zur Verbindung mit dem
Rohrleitungssystem versehen ist.
6. Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung
des als Ultraschallempfänger geschalteten Wandlers (2) nach
Verstärkung auf den als Ultraschallsender geschalteten Wand
ler (1) rückgekoppelt ist.
7. Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß beide Wandler (1, 2) die gleichen physika
lischen Eigenschaften haben und daß bei Selbsterregung des
Systems in radial oszillierender Mode der Wandler (1, 2)
zwischen dem axialen Abstand d der beiden Wandler (1, 2) und
der Schallwellenlänge λ die Beziehung
d = δ + n λbesteht, wobei n eine natürliche Zahl ist und für δ die
iterativ lösbare Gleichungδ = (-λ/(2π)) arctan(a²/(n λ + δ))gilt, wobei a der Innenradius der Wandler (1, 2) ist.
8. Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß sich die Strömungsgeschwindigkeit v des
Mediums aus der Beziehung
(c + v)/(f₀ + Δf) = λ₀ergibt, wobei f₀ die Ultraschallfrequenz bei Selbsterregung
im ruhenden Medium ist, das die Schallgeschwindigkeit c hat,
wobei Δf die Frequenzverschiebung bei Selbsterregung im
Medium mit der Strömungsgeschwindigkeit v ist und wobei λ₀ =
c/f₀ die Schallwellenlänge ist, bei der d gemäß Anspruch 7
festgelegt ist.
9. Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät nach Anspruch 7 oder 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Wandler (1, 2) bei Selbsterre
gung in der Nähe einer Resonanzfrequenz für eine radial
oszillierende Mode betrieben werden.
10. Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät nach Anspruch 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Resonanzkurve verbreitert ist.
11. Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät nach einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der als Ultraschallemp
fänger geschaltete Wandler (2) zur Messung der Laufzeit des
Ultraschalls nach impulsartiger Anregung des als Ultra
schallsender geschalteten Wandlers (1) geschaltet ist.
12. Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Wandler (1,
2) wahlweise als Ultraschallsender oder als Ultraschallemp
fänger schaltbar ist.
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